DE3821397C2 - Vorrichtung zur katalytischen Reinigung von Verbrennungsmotor-Abgasen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur kata­ lytischen Reinigung von Verbrennungsmotor-Abgasen; mit einem Gehäuse, das jeweils einen Anschlußbereich für eine Abgasleitung an beiden Enden sowie jeweils einen im wesentlichen trichterförmigen Übergangsbereich zwischen dem betreffenden Anschlußbereich und einem Monolith-Auf­ nahmebereich aufweist; mit mindestens einem Monolithen, der mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung versehen und in dem Monolith-Aufnahmebereich in dem Gehäuse gehal­ tert ist; mit im wesentlichen trichterförmigen Innen­ schalenteilen aus temperaturbeständigem Blech für die Übergangsbereiche des Gehäuses; und mit einem temperatur­ beständigen, federnd nachgiebigen Halteelement zum Hal­ tern des Monolithen in dem Aufnahmebereich.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der Druckschrift DE 35 06 219 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung sollen die in den Übergangsbereichen des Gehäuses vorge­ sehenen Innenschalenteile verhindern, daß der Abgasstrom das aus Fasermaterial bestehende Halteelement erodiert, und sollen das äußere Gehäuse von den hohen Temperaturen des Abgasstroms abschirmen. Die Innenschalenteile haben eine glatte Innenkontur; sie bestehen aus dünnem Metall­ blech oder Metallfolie.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgas­ reinigungsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der mindestens das der Zuströmseite des Gehäuses zugeordnete Innenschalenteil zur Übernahme weiterer Funktionen ausgebildet sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Vorrichtung erfindungs­ gemäß dadurch gekennzeichnet, daß mindestens das der Zuströmseite des Gehäuses zugeordnete Innenschalen­ teil mit nach innen verformten Einprägungen und Rinnen zwischen den Einprägungen versehen ist, wobei die Einprägungen und Rinnen sich zwischen dem anschlußbereichsseitigen Endbereich und dem monolithseitigen Endbereich längs des Innen­ schalenteils erstrecken und umfangsmäßig verteilt vorgesehen sind.

Die Einprägungen und Rinnen beeinflussen die Strömung im Übergangsbereich des Gehäuses dahingehend, daß der Abgasstrom möglichst gleichmäßig auf die Eingangs-Stirn­ seite des Monolithen trifft. Der Strömungsleitungs­ effekt durch die Einprägungen und Rinnen ist auch bei im Querschnitt im wesentlichen runden Gehäusen hilfreich, weil das Abgas häufig nicht genau in Axialrichtung zuströmt, sondern, beispielsweise auf­ grund vorheriger Umbiegungen der Abgasleitung, mit Schrägkomponente zuströmt. Außerdem gibt es recht häufig den Fall der zwar axialen, aber außermittigen Einmündung der Abgasleitung in das Gehäuse. Schließlich sei auf un­ runde, insbesondere in etwa elliptische, Querschnitts­ geometrien des Monolithen und des Gehäuses hingewiesen, bei denen der Strömungsleitungseffekt ganz besonders erwünscht ist.

Ferner ist der generelle festigkeitssteigernde Effekt der Einprägungen und Rinnen willkommen. Trotz der Ein­ prägungen und Rinnen verbleibt eine gewisse Biege­ weichheit des betreffenden Innenschalenteils für Bie­ gungen um Trichtermantellinien, so daß sich das Innen­ schalenteil Gehäusegeometrien und Monolithgeometrien anpassen kann, die nicht exakt den Vorgabemaßen ent­ sprechen.

Schließlich ergibt sich der Vorteil, daß eine vorzugs­ weise vorgesehene Isoliermatte zwischen dem äußeren Gehäuse und dem betreffenden Innenschalenteil lagesi­ cherer fixiert ist bzw. das Innenschalenteil mittels der Isoliermatte besser in seiner Lage festgelegt ist.

Aus der Druckschrift DE 27 23 532 A1 ist eine Vorrich­ tung zur katalytischen Reinigung von Verbrennungsmotor- Abgasen bekannt, die keine Innenschalenteile aufweist. Der metallische Katalysatorkörper wird stirnseitig jeweils durch zwei diametral gegenüberliegende, nasen­ artige Einprägungen des Gehäuses fixiert. Da diese Ein prägungen in Abgasströmungsrichtung gemessen nur kurz sind, ergibt sich kein merklicher Strömungsleiteffekt. Die Lagefixierung des Katalysatorkörpers ist nicht optimal, da nicht gleichmäßig verteilt der gesamte Stirnseitenrand abgestützt wird.

Die Innenschalenteile können monolithseitig mit dem Monolithen in Eingriff sein oder, alternativ, an oder kurz vor der betreffenden Stirnseite des Monolithen enden. Im letztgenannten Fall kann das Innenschalen­ teil mit der Abgasleitung verschweißt sein.

Vorzugsweise ist mindestens eins der Innenschalenteile über einen Schiebesitz mit dem betreffenden Abgaslei­ tungsende verbunden, so daß bei den für Abgasreinigungs­ vorrichtungen typischen, unterschiedlichen Wärmedehnungen von Monolith und Gehäuse hier die Wärmedehnungsunter­ schiede aufgefangen werden können.

Vorzugsweise weist mindestens eins der Innenschalenteile an seinem monolithseitigen Ende mehrere, umfangsmäßig verteilte, elastische Zungen auf, die bei eingeführtem Monolithen elastisch aufgebogen sind und daher einen be­ sonders guten gegenseitigen Eingriff zwischen dem Mono­ lithen und dem betreffenden Innenschalenteil sicher­ stellen.

Es ist bevorzugt, die elastischen Zungen durch Ausstan­ zungen zu bilden, die im wesentlichen die Gestalt eines Herzes mit stielförmigem, zum Rand des Innenschalenteils führendem Fortsatz haben. Diese Ausbildung führt zu einer günstigen Elastizität der Zungen. Man kann die durch die Ausstanzungen gebildeten Materialspitzen nach innen ab­ biegen, so daß sich ein noch besserer Eingriff mit dem Monolithen, vorzugsweise sogar ein geringfügiges Ein­ graben der Materialspitzen in den Monolithen, ergibt.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, mindestens eins der Innenschalenteile in seinem Endbereich mit mehreren, umfangsmäßig verteilten Stanzlöchern zu versehen. Auch hierdurch ergibt sich eine gesteigerte Elastizität des Endbereichs und eine bessere Verbindungshalterung zwischen dem betreffenden Innenschalenteil und dem Mono­ lithen. Sowohl derartige Stanzlöcher als auch Ausstan­ zungen zur Schaffung von elastischen Zungen bieten ide­ ale Voraussetzungen für eine Verankerung des Halteele­ ments mit dem betreffenden Innenschalenteil.

Vorzugsweise weist auch das Gehäuse mindestens in den Übergangsbereichen Einprägungen nach innen oder nach außen auf. Diese Einprägungen können analog zu den Ein­ prägungen der Innenschalenteile sein und zu diesen korrespondieren. Sie können aber auch relativ zu den Einprägungen der Innenschalenteile sozusagen auf Lücke angeordnet sein. Außer einer Versteifung des Gehäuses erbringen die Einprägungen eine verbesserte Festlegung einer wahlweise vorhandenen Isoliermatte zwischen dem Gehäuse und dem betreffenden Innenschalenteil. Zwischen den Einprägungen des Gehäuses können längsverlaufende Rinnen wie bei den Innenschalenteilen vorhanden sein. Auch der Monolith-Aufnahmebereich des Gehäuses kann mit Einprägungen versehen sein.

Es ist besonders bevorzugt, daß das Halteelement eine Matte aus Fasermaterial aufweist oder im wesentlichen aus einer derartigen Matte besteht. Das Fasermaterial besteht vorzugsweise aus Keramikfasern oder Glasfasern oder ist als sogenannte Quellmatte ausgebildet. Das Fasermaterial kann mit Blähglimmer durchsetzt sein. Das Halteelement kann, muß aber nicht, um die jeweilige Kante des Mono­ lithen zum Rand der betreffenden Stirnseite des Mono­ lithen herumgreifen. Das Halteelement überdeckt entweder nur einen Teil der axialen Länge des Monlithen oder, wie bevorzugt, im wesentlichen die gesamte axiale Länge des Monolithen.

Vorzugsweise weist das Halteelement in denjenigen Berei­ chen, wo die Innenschalenteile enden, eine innere Schutz­ lage auf, insbesondere aus besonders beständigen und/oder besonders beanspruchungsresistent verarbeiteten Fasern. Auf diese Weise wird derjenige Bereich, wo noch eine gewisse Beaufschlagung des Halteelements mit Abgas ge­ geben sein könnte, besonders geschützt. Die Schutzlage kann um die Stirnkanten des Halteelements herumgeführt sein. Auch die Isoliermatte kann an einen oder beiden Kanten eine derartige Schutzlage aufweisen.

Die Isoliermatte kann aus dem gleichen Material wie die Halteelementmatte bestehen, kann aber auch aus weniger aufwendigem Fasermaterial bestehen, weil hier die Bean­ spruchungen geringer sind.

Man kann bei mindestens einem Innenschalenteil zwischen dessen Endbereich und dem Monolithen eine Zwischenlage vorsehen, um hier über Reibungserhöhung einen besseren Eingriff zwischen dem Umfang des Monolithen und dem betreffenden Innenschalenteil sicherzustellen.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind in dem Gehäuse axial hintereinander zwei Monolithe vor­ gesehen und ist ein Zwischen-Innenschalenteil vorgesehen, das mit seinem einen Endbereich mit dem Umfang des einen Monolithen und mit seinem anderen Endbereich mit dem Umfang des anderen Monolithen in Eingriff ist. Das Zwischen-Innenschalenteil hat eine andere Funktion als die vorstehend beschriebenen, im wesentlichen trichter­ förmigen Innenschalenteile. Es kann, muß aber nicht, ana­ loge Einprägungen und Rinnen aufweisen. Es ist vorzugs­ weise über Zungen der weiter vorn beschriebenen Art oder anderswie in ihrer Elastizität gesteigerte Bereiche mit den beiden Monolithen in Eingriff.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen fragmentarischen Längsschnitt durch eine Abgasreinigungsvorrichtung, wobei in der unteren Hälfte ein Innenschalenteil in Außenansicht gezeigt ist;

Fig. 2 eine fragmentarische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des Endbereichs des Innenschalen­ teils;

Fig. 3 einen fragmentarischen Querschnitt der Vorrich­ tung von Fig. 1 längs III-III;

Fig. 4 einen fragmentarischen, stärker schematisierten Längsschnitt einer weiteren Abgasreinigungsvor­ richtung in kleinerem Maßstab.

In Fig. 1 ist die Abgasreinigungsvorrichtung 2 nur mit ihrer linken Hälfte gezeichnet. Die rechte Hälfte muß man sich spiegelbildlich ergänzt denken.

Man erkennt ein Gehäuse 4 aus Stahlblech, welches nicht hochwarmfest sein muß. Das Gehäuse 4 besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen Monolith-Aufnahmebereich 6, zwei im wesentlichen trichterförmigen Übergangsbereichen 8 und zwei Anschlußbereichen 10. In den gezeichneten, linken Anschlußbereich 10 ist das Ende einer Abgasleitung 11 eingeführt und festgeschweißt.

Im Aufnahmebereich 6 ist ein keramischer Monolith 12 mittels einer herumgelegten Halterungsmatte 14 aus kera­ mischem Fasermaterial, beispielsweise eine an sich be­ kannte Quellmatte, gehaltert. Die radiale Dicke der Hal­ terungsmatte 14 ist so gewählt, daß sie beim Einbau so stark zusammengepreßt wird, daß sie durch radialen Druck den Monolithen 12 auch bei auftretenden Wärmedehnungs­ unterschieden zwischen dem Gehäuse 4 und dem Monolithen 12 sicher hält.

Vom Anschlußbereich 10 zum in Fig. 1 linken Endbereich des Monolithen 12 erstreckt sich ein im wesentlichen trichterförmiges Innenschalenteil 16 aus warmfestem Blech. Am in Fig. 1 linken Ende ragt das Innenschalenteil 16 in einen Ringspalt zwischen dem Anschlußbereich 10 und dem in Fig. 1 rechten Endbereich der Abgasleitung 11 der­ art, daß dort eine Schiebesitzverbindung 28 zwischen dem Ende der Abgasleitung 12 und dem Innenschalenteil 16 ge­ bildet ist. Mit seinem in Fig. 1 rechten Endbereich 18 umgibt das Innenschalenteil 16 den in Fig. 1 linken End­ bereich des Umfangs des Monolithen 12. Zwischen diesem Endbereich 18 und dem Schiebesitz 28 weist das Innenscha­ lenteil umfangsmäßig verteilt mehrere nach innen verform­ te Einprägungen 20 mit dazwischen längs Kegelmantellinien verlaufenden Rinnen 22 auf. Die dem Monolithen 12 zuge­ wandten Ränder 24 der Einprägungen 20 bilden Anlageflä­ chen für den äußeren Umfangsrand der in Fig. 1 linken Stirnseite 26 des Monolithen 12.

Zwischen dem Schiebesitz 28 und dem Endbereich 18 ver­ läuft das Innenschalenteil 16 mit Abstand von dem Über­ gangsbereich 8 des Gehäuses 4. In diesem Ringraum ist eine Isoliermatte 30 aus Mineralfasern angeordnet, die infolge der Einprägungen 20 besonders lagefest fixiert ist.

Mit 32 ist eine radial innere Schutzlage der Halterungs­ matte 14 angedeutet, die denjenigen Bereich der Halte­ rungsmatte 14 schützt, der das Ende des Innenschalenteils 16 überdeckt. Ähnliche Schutzlagen könnten an einer oder beiden Stirnseiten der Isoliermatte 30 vorgesehen sein. Außerdem könnten besondere Dichtringe vor, hinter oder im mittleren Bereich der Isoliermatte 30 und/oder der Halterungsmatte 14 vorgesehen sein.

In der unteren Hälfte der Fig. 1 ist die Gestaltung des Endbereichs 18 des Innenschalenteils 16 dargestellt. Man erkennt längs des Umfangs verteilte Ausstanzungen 34 einer Form, die man als herzförmig mit einem stielförmi­ gen Fortsatz zum rechten Rand des Innenschalenteils 16 charakterisieren kann. Zwischen den Ausstanzungen 34 werden dadurch federnde Zungen 36 gebildet, so daß der Endbereich 18 durch Einschieben des Monolithen 12 gering­ fügig elastisch aufgeweitet werden kann. Durch die Herz­ form der Ausstanzungen 34 entstehen Materialspitzen 38, die vor Einführen des Monlithen 12 nach innen abgebogen worden sind und einen festen Eingriffskontakt mit diesem herstellen. Außerdem erkennt man eine dünne Zwischenlage 40 aus elastischem Material zwischen dem Endbereich 18 und dem eingeschobenen Umfangsbereich des Monolithen 12.

In Fig. 2 ist eine alternative Gestaltung des Endbereichs 18 gezeichnet. Dort sind Ausstanzungen 34 gezeichnet, die entweder quadratisch sind oder durch eine dreieckige Materialspitze 38 am linken Rand von der Quadratform abweichen. Die Materialspitzen 38 können wiederum nach innen umgebogen sein. Statt der ringsum begrenzten Aus­ stanzungen bzw. Stanzlöcher 34 könen auch rechteckige Schlitze (wie mit gestrichelten Linien angedeutet) vorge­ sehen sein, wodurch wiederum dazwischen befindliche Zungen gebildet würden.

Man kann die Ränder der Ausstanzungen 34 aus der Fläche des Endbereichs 18 herausgebogen gestalten.

Für alle in Fig. 1 und 2 gezeichneten Ausführungsformen gilt, daß die Ausstanzungen 34 eine bessere, quasi-form­ schlüssige Verankerung der Halterungsmatte 14 mit dem Innenschalenteil 16 bewirken.

In Fig. 1 ist nicht eingezeichnet die Möglichkeit, auch das Gehäuse 4 in den Übergangsbereichen 8 und/oder dem Aufnahmebereich 6 mit nach außen oder nach innen ver­ formten Einprägungen zu versehen. Diese Möglichkeit führt zu einer verbesserten, formschlüssigen Festlegung der Isoliermatten 30 und der Halterungsmatte 14 im Gehäuse 4.

In Fig. 1 ist die Möglichkeit veranschaulicht, daß die Halterungsmatte 14 in Axialrichtung im wesentlichen gleich lang ist wie der Monolith 12. Man kann jedoch die Halterungsmatte 14 auch axial kürzer machen und bei­ spielsweise im mittleren Bereich des Monolithen 12 vor­ sehen. Oder man kann die Halterungsmatte 14 in mehrere, axial beabstandete Halterungsringe auflösen. Man kann aber auch die Halterungsmatte 14 axial länger machen und ein Stück um die Kanten des Monolithen 12 bzw. den dortigen Bereich des Innenschalenteils 16 herumgreifen lassen. Dann stellt die Halterungsmatte 14 mit ihren End­ bereichen Axiallagerungskissen für den Monolithen 12 dar.

Diese Funktion kann alternativ von dem jeweiligen, inne­ ren Endbereich der Isoliermatte 30 übernommen werden.

In Fig. 3 ist in axialer Blickrichtung die Gestaltung des Innenschalenteils 16 mit Einprägungen 20 und Rinnen 22 nochmals veranschaulicht. Das Gehäuse 4 ist vorzugs­ weise in Halbschalenbauweise ausgeführt und an längsver­ laufenden Schweißnähten 40 verschweißt. Das Innenschalen­ teil 16 kann längs einer oder mehrerer Längsschweißnähte verschweißt sein.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform mit zwei axial hinter­ einander angeordneten Monolithen 12 dargestellt. In der Mitte befindet sich ein Zwischen-Innenschalenteil 42, das mit seinen beiden Endbereichen 18 mit dem in Fig. 4 rechten Endbereich des linken Monolithen und mit dem in Fig. 4 linken Endbereich des rechten Monolithen in Ein­ griff ist, und zwar in der Weise, wie für den Endbereich 18 des Innenschalenteils 16 weiter vorn beschrieben. Die Endbereiche 18 des Zwischen-Innenschalenteils 42 sind ebenfalls mit Ausstanzungen 34 in einer der weiter vorn beschriebenen Konfigurationen versehen. Das Zwischen- Innenschalenteil 42 kann, wie zeichnerisch angedeutet, mit Einprägungen 20 und dazwischen längsverlaufenden Rinnen 22 versehen sein, wie weiter vorn für das Innen­ schalenteil 16 beschrieben. Ansonsten ist der Aufbau analog wie vorstehend beschrieben, wobei pro Monolith 12 eine eigene Halterungsmatte 14 oder eine durchgehende Halterungsmatte 14 für beide Monolithen vorgesehen sein kann. In demjenigen Bereich, wo die betreffende Halte­ rungsmatte 14 das Ende des betreffenden Endbereichs 18 des Zwischen-Innenschalenteils 42 überdeckt, ist vorzugs­ weise analog eine Schutzlage 32 vorgesehen.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur katalytischen Reinigung von Ver­ brennungsmotor-Abgasen;
mit einem Gehäuse (4), das jeweils einen Anschlußbereich (10) für eine Abgasleitung (11) an beiden Enden sowie jeweils einen im wesentlichen trichterförmigen Übergangs­ bereich (8) zwischen dem betreffenden Anschlußbereich (10) und einem Monolith-Aufnahmebereich (6) aufweist;
mit mindestens einem Monolithen (12), der mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung versehen und in dem Monolith-Aufnahmebereich (6) in dem Gehäuse (4) ge­ haltert ist;
mit im wesentlichen trichterförmigen Innenschalenteilen (16) aus temperaturbeständigem Blech für die Übergangs­ bereiche (8) des Gehäuses;
und mit einem temperaturbeständigen, federnd nachgiebigen Halteelement (14) zum Haltern des Monolithen (12) in dem Aufnahmebereich (6),
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens das der Zuströmseite des Gehäuses (4) zugeordnete Innenschalenteil (16) mit nach innen ver­ formten Einprägungen (20) und Rinnen (22) zwischen den Einprägungen (20) versehen ist, wobei die Einprägungen (20) und Rinnen (22) sich zwischen dem anschlußbereichs­ seitigen Endbereich (28) und dem monolithseitigen Endbereich (18) längs der Erzeugenden des Innenschalenteils (16) er­ strecken und umfangsmäßig verteilt vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eins der Innenschalenteile (16) an oder kurz vor der betreffenden Stirnseite (26) des Monolithen (12) endet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eins der Innenschalenteile (16) mit seinem monolithseitigen Endbereich (18) mit dem Umfang des Mono­ lithen (12) in Eingriff ist, wobei die monolithseitigen Ränder (24) der Einprägungen (20) Anlageflächen für den Rand der betreffenden Stirnseite (26) des Monolithen (12) bilden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eins der Innenschalenteile (16) in seinem monolithseitigen Endbereich mehrere, umfangsmäßig ver­ teilte, elastische Zungen (36) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zungen (36) durch Ausstanzungen (34) gebildet sind, die im wesentlichen die Gestalt eines Herzes mit stielförmigem, zum Rand des Innenschalenteils führendem Fortsatz haben.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Ausstanzungen (34) gebildeten Material­ spitzen (38) zum Eingriff mit dem Monolithen (12) nach innen abgebogen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eins der Innschalenteile (16) in seinem Endbereich (18) mehrere, umfangsmäßig verteilte Stanz­ löcher (34) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, das Gehäuse (4) in den Übergangsbereichen (8) Einprä­ gungen nach innen oder nach außen aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Halteelement (14) eine Matte aus Fasermaterial vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement (14) in demjenigen Bereich, wo die Innenschalenteile (16) enden, eine innere Schutzlage (32) aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gehäuse (4) und den Innenschalenteilen (16) jeweils eine Isoliermatte (30) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens bei einem Innenschalenteil (16) zwischen dessen Endbereich (18) und dem Monolithen (12) eine Zwischenlage (40) angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschalenteile (16) jeweils über einen Schiebesitz (28) mit dem betreffenden Abgasleitungsende (11) verbunden sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (4) axial hintereinander zwei Mono­ lithe (12) vorgesehen sind und daß ein Zwischen-Innen­ schalenteil (42) vorgesehen ist, das mit dem einen Endbereich mit dem Umfang des einen Monolithen und mit dem anderen Endbereich mit dem Umfang des anderen Mono­ lithen in Eingriff ist.